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体外循环相关肺损伤的发生机制与对策

2015-03-03 02:05 毕业

早年体外循环（cardiopulmonary bypass,CPB）成为心内直视手术的有用方法时，人们主要关注的只是它的机械辅助作用。直至50年代后期，人们才逐渐认识到体外循环对机体的影响。在80年代早期，Kirklin提出1个全新的概念——体外循环诱发的全身性炎症反应综合征（systemic inflammatory response syndrome,SIRS），类似创伤部位的局部炎症。体外循环心肺转流术由于手术创伤，血液与体外循环管道的接触以及停止循环后的缺血再灌注损伤可以引起复杂的全身炎症反应，表现为发热、白细胞增多、毛细血管通透性增加、组织间隙液体的积聚等，严重时导致多器官功能不全，CPB介导的全身炎症反应可涉及各个器官，是肺损伤的关键。
由于CPB是1种非生理性的循环方式，血液与异物表面接触及由此触发CPB相关的炎症反应普遍存在，虽对肺的损伤作用仅表现为1些亚临床性损伤，1般并不引起严重的后果，但有些病情发展呈急进性且难以预测，在病理和临床上类似急性呼吸窘迫综合症（acute respiratory distress syndrome,ARDS）,发生率高达15%-30%，因此CPB相关的急性肺损伤逐渐引起人们的重视。
1 机制
1．1体外循环中体液介质的变化与肺损伤
1．1．1 补体系统（Complement System）
CPB时最早受到影响的是补体系统。CPB主要通过补体的旁路途径激活补体，产生过敏毒素 C3a和C5a ，旁路途径主要发生于补体被非生物材料的激活，因为它的激活不需要特异抗体。而经典途径是由C1与抗原—抗体复合物相互作用所诱发，在1些情况下也可以与其它的激活因子相互作用，包括细菌及病毒表面及肝素—鱼精蛋白复合体等，少量的C3a也可以由纤溶蛋白酶和激肽释放酶诱导而产生，同时手术本身也可以激活补体。CPB开始后C3a迅速升高，于CPB结束时达到高峰，术后48hr，C3a恢复到CPB前的水平，术后心肺功能不全、肾衰和出血倾向都与CPB后C3a的水平有关。补体引起肺损伤是通过①刺激肥大细胞和嗜碱性粒细胞释放组胺，收缩肺血管平滑肌，并使毛细血管通透性增加，②使肺部白细胞聚集，刺激中性粒细胞趋化脱颗粒，并在细胞表面表达粘附分子CD11b/CD18，这些粘附分子可以和内皮细胞表面的ICAM-1结合，激活内皮细胞，造成可怕的细胞损伤，③使内皮细胞表面表达选择素P，促使中性粒细胞粘附，④激活中性粒细胞释放多种细胞因子和炎性介质，⑤激活血小板和单核细胞系统。临床研究发现，CPB时间长短和C3a升高的水平与CPB后肺功能失调密切相关，因此C3a和C5a在CPB相关的ALI中起重要作用，不同类型的氧合器对补体系统的影响目前尚无定论。

1．1．2 凝血、纤溶和激肽系统（Coagulation , Fibrinolysis and Kinin system）
由于血液与体外循环管道的接触而激活因子XII，发动内源性凝血途径。同时，由于低氧、细胞因子、补体C5a和内毒素使内皮细胞活化并表达组织因子而发动外源性凝血途径，产生凝血酶（thrombin）。XIIa因子可以刺激中性粒细胞聚集和释放弹力酶，并产生激肽释放酶诱导中性粒细胞趋化、聚积和脱颗粒，同时激肽释放酶可以通过正反馈使XIIa诱导产生缓激肽，引起血管扩张和增加血管的通透性。凝血酶在使血小板及内皮细胞释放Von Willebrands 因子和选择素P的同时还使内皮细胞释放组织纤溶酶原激活剂（t-PA）,激活纤溶系统。纤维蛋白—纤维蛋白原降解产物可以破坏纤维蛋白的合成和血小板的功能，裂解单层内皮细胞。总之，这些因素可以导致毛细血管的损伤、血管内液体的外渗和止血功能的紊乱。但凝血、纤溶和激肽系统的激活对CPB相关肺损伤的直接作用尚未证实。
1．1．3内毒素（Endotoxin）和细胞因子（Cytokines）
内毒素和细胞因子在ARDS的发生机制上占重要地位。内毒素是革兰氏阴性细菌细胞壁上的脂多糖，它能激活凝血和补体系统，诱导中性粒细胞内呼吸爆发，增加血管内皮细胞的粘附性。CPB时，血液中出现内毒素可能是CPB管道或静脉输液系统的液体被污染，但主要是因体外循环机的非波动性血流造成内脏的低灌注和缺血，肠粘膜通透性增高，肠道内细菌移位的结果，尤其当主动脉开放后，血中内毒素可明显升高。
细胞因子在ARDS的发病机制中起重要作用。大多数细胞因子是促进炎症反应的，另1些细胞因子是抑制炎症反映的，存在着1个复杂的反馈系统来限制炎症反应的程度和范围，如果细胞因子的水平过高，可能引起过度的全身炎症反映，导致机体的继发损伤。
CPB开始时细胞因子的释放就开始增加，并随CPB和主动脉阻断时间的延长不断升高。释放细胞因子是单核细胞、巨噬细胞及血管内皮细胞等对补体激活、缺血—再灌注损伤、内毒素释放的1种反应。心脏CPB手术所致的全身炎症反应过程中释放的多种细胞因子可激活内皮细胞，增加粘附分子的表达，促进内皮细胞与活化的中性粒细胞间的粘附作用，从而导致CPB术后多种并发症的发生。目前CPB中能检测到的主要有TNF-α、IL-1，IL-6, IL-8, IL-10等。
肿瘤坏死因子α（Tumor Necrosis Factor α, TNF-α）是巨噬细胞和其它促炎细胞激活后释放的最早在血流中检测到的细胞因子，在炎症中起重要作用。TNF-β由淋巴细胞产生并刺激中性粒细胞巨噬化。TNF是CPB诱发炎症反应和肺损伤的重要因素，起引导者的作用。它可以引起机体内1系列病理反应，包括：①诱导中性粒细胞呼吸爆发，表达粘附分子，促进其在血管内皮上粘附，②导致内皮细胞功能减退，增加血管通透性，降低循环阻力，③增加巨噬细胞的吞噬功能，④抑制心肌细胞，⑤刺激多种其他细胞因子的生成和释放，⑥诱导肝急性期蛋白的合成。
白细胞介素家族类（Interleukins，ILs）是另外1类细胞因子，能易化白细胞之间/之内的信号传递，并具有控制机体炎症反应的类似调节蛋白的功能，在炎症反应中较为重要。IL-1在白细胞介素中具有中心地位，是感染和多系统器官衰竭的重要因子。IL-1的作用与TNF-α相似，使中性粒细胞粘附于血管内皮，激活中性粒细胞释放弹性蛋白酶和氧自由基等，造成组织和器官损伤。IL-1还能诱导单核细胞产生IL-6。IL-6是组织损伤的早期敏感指标，由单核细胞、内皮细胞、巨噬细胞、淋巴细胞、成纤维细胞、角化细胞和平滑肌细胞受到TNF-α、内毒素，特别是IL-1的刺激后产生。血浆IL-6水平与手术和体外循环炎症反应导致的组织损伤的严重程度有密切关系，还与室壁运动异常和术后心肌缺血具有相关关系。IL-8由单核细胞、内皮细胞、肺泡巨噬细胞和成纤维细胞产生，同样是这些细胞受到TNF-α、IL-1和内毒素的刺激后产生的。IL-8是典型的炎症介质，是中性粒细胞的主要趋化因子，具有有力的化学吸引能力，可导致中性粒细胞粘附与内皮细胞所必需的中性粒细胞粘附分子CD11b/CD18的表达上调，并刺激中性粒细胞脱颗粒释放蛋白溶解酶和产生有害的氧自由基，导致内皮细胞和周围组织的损伤。IL-10由淋巴细胞、单核细胞、肿瘤B细胞和枯否氏细胞产生，是近年来发现的1种抗炎白细胞介素，可调节多种细胞的功能。IL-10对血液中单核细胞和结缔组织细胞具有调节功能，它可刺激T细胞产生IL-1受体拮抗物和抑制IL-6和IL-8的合成,抑制细胞间粘附分子的表达，减少白细胞内皮粘附，减轻肺的再灌注损伤。CPB中，血浆IL-10水平几乎与TNF-α、IL-6和IL-8的水平平行或略滞后出现，表现出机体自身对炎症反应的自我调控。这几种细胞因子相互作用，在CPB相关的肺损伤中起作用。

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1．1．4 蛋白酶（Protease）
蛋白酶在ARDS的发病机制中的作用正逐渐被重识，与CPB有关的主要是弹性蛋白酶，它来源于中性粒细胞和巨噬细胞的裂解释放，血浆中的弹性蛋白酶在CPB开始后逐渐升高，术后达到高峰。在肺的再灌注期间，左房血中的测定值比右房高，提示在肺缺血期内肺内中性粒细胞的聚集和弹性蛋白酶的释放增多，进而引起肺损伤。
1．2 体外循环时中性粒细胞、血小板及内皮细胞与肺损伤
1．2．1 中性粒细胞（Neutrophil）
中性粒细胞激活后在肺微循环内扣留、聚集，继之与血管内皮细胞粘附，通过释放炎症因子和产生氧自由基而引起ALI。中性粒细胞的激活是炎性诱导损伤的中心环节。生理状态下，大约1半的中性粒细胞粘附在血管壁上，在CPB下这些细胞被活化的补体、内毒素和某些细胞因子迅速被激活，进入血液循环。这样活化的中性粒细胞可以与内皮细胞相互作用，经过粘附分子家族中的选择素、粘合素及免疫球蛋白超家族的作用，增强了中性粒细胞与血管内皮细胞的粘附和导致中性粒细胞在肺内的隔离。此外，粘附的中性粒细胞可被细胞因子如IL-8进1步活化，穿过内皮细胞，释放蛋白酶（弹性蛋白酶和金属蛋白酶）、组织蛋白酶G、溶菌酶和髓过氧化物酶等，同时， TNF-α、IL-1和干扰素γ可改变蛋白溶解酶和内皮细胞产生的抗蛋白溶解酶的平衡，促使基底膜蛋白的降解，使得中性粒细胞能够穿过内皮细胞基底膜，接近血管外空间，损伤内皮细胞和内皮下基质导致肺组织损伤。另外由于心肺等器官的缺血-再灌注损伤，再灌注的组织重新获得氧供应，激活的中性粒细胞耗氧量显著增加，产生大量氧自由基如超氧阴离子、羟自由基等，使细胞膜产生脂质过氧化反应，引起膜的结构破坏[42]和通透性增加，导致术后肺水肿，影响肺氧合功能。清除循环中的白细胞可明显减轻术后肺损伤[45]。
1．2．2 血小板（Platelet）
CPB时血小板被激活，其变化规律与中性粒细胞相似，在CPB开始后血小板数迅速下降，并逐渐在肺内聚集，血小板聚集可释放血栓素等介质造成肺损伤。CPB中血小板可以沉积在肺毛细血管中，Steinberg等发现在严重的肺损伤的病人中，肺部毛细血管可以发现血小板的隔离现象，这些血小板可以引起内皮细胞的损伤和通过分泌细胞毒素来引起肺组织水肿。Fessatidis等给狗行体外循环时，用血小板聚集抑制剂前列环素可以保持血小板的数量，减轻血小板的聚集，减少因纤维蛋白、白细胞及血小板微聚引起的肺小动脉的阻塞。但是，在CPB中血小板聚集对肺损伤的精确病理生理的重要性目前还不太清楚。
1．2．3 内皮细胞（Endothelial Cell）
体外循环中在补体、细胞因子、内毒素、缺血—再灌注和中性粒细胞的刺激下，处于稳定状态的内皮细胞被激活，这些炎症介质结合在血管内皮细胞的特异受体上，通过多种第2信使系统激活细胞核内特定的基因，途径核因子-kappa B（Nuclear Factor-kappa B，NF-κB）发挥作用，合成和分泌各种血浆分子。内皮细胞损伤的标记物 — 血浆中Von Willebrand因子，在行心脏手术的病人中升高。激活的单核细胞和内皮细胞产生的IL-8水平在CPB后也显著升高。另外，活化的内皮细胞分泌的花生4烯酸代谢产物血栓素，引起血管收缩，抑制血栓素的合成可以减轻因CPB引起的肺损伤。最近，关于肺损伤可能的标记物1氧化氮（Nitrogen monoxide ，NO）已引起人们的关注，内皮细胞通过分泌NO可以发挥保护性作用，抑制白细胞—内皮细胞的粘附，减少血管的张力，同时又有自由基清除作用。在再灌注损伤的早期NO释放减少，用NO气体吸入可以减轻动物缺血—再灌注损伤模型中中性粒细胞的渗透作用，Rich 等给病人吸入NO可以改善体外循环术后的肺功能。

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1．3 体外循环中氧自由基的改变与肺缺血-再灌注损伤
肺缺血—再灌注可导致肺血管损伤、肺微血管通透性增加。研究发现，在开放升主动脉后能测出血浆中脂质过氧化物的增加，CPB结束时也可测出过氧化氢的浓度升高，提示CPB过程中有氧自由基产生。CPB期间，在缺血状态下，高能嘌呤核苷酸形成次黄嘌呤，到再灌注期，聚集的次黄嘌呤在有氧条件下通过肺内皮中的黄嘌呤氧化酶的作用而形成有毒性的氧自由基。生成的自由基可促进钙超载，胞浆内游离的钙增加又加速自由基的产生，引起细胞内线粒体、内质网水肿，细胞代谢失调，氧自由基能直接破坏组织细胞的脂质和核酸，使细胞表面蛋白质产生变形，从而导致ALI。
1．4 核因子- Kappa B（NF-κB）与肺损伤
NF-κB是1种重要的转录因子复合体，普遍存在于细胞内，进入细胞核与同源DNA结合区作用，通过激活细胞因子级链式反应，启动许多具组织营养功能的前炎性基因的转录。通常抑制性分子-κB（IκB）在细胞中与NF-κB组成异2聚体，抑制基因的转录，当细胞因子、脂多糖或低氧刺激，使NF-κB—IκB复合体磷酸化，1旦裂解，IκB迅速降解，同时，NF-κB在核内聚集，导致活化基因转录的开始，合成并释放TNF、粒细胞集落刺激因子（G-CSF）、白介素家族、干扰素β（INF-β）、粘附分子（E-选择素等）等，引起内皮和组织的损伤。近年研究发现与CPB相关的肺损伤中，CPB组肺巨噬细胞及肺组织内NF-кB的活性明显增强，表明NF-кB的活化与CPB肺损伤有关。NF-кB活化在CPB肺损伤中的作用可能为：CPB时补体激活，产生前炎因子TNF-α，激活NF-кB。活化的NF-кB可促进炎症因子的过度表达，导致最初炎症信号的进1步扩大，从而损伤肺组织。至于抑制NF-кB的活化是否有助于减轻CPB相关的肺损伤，尚待进1步研究。
2 防治进展
目前对CPB相关急性肺损伤的发病机制已取得了1定的了解，但由于CPB中引起急性肺损伤的机制极其复杂，是多因素、多环节的，不存在引起肺血管损伤，通透性增加的共同通路，所以目前尚无特效的治疗方案，仅根据其发病机制提出1些预防和治疗措施。
2．1 体外循环系统的改进与肺保护
2．1．1体外循环管道的肝素化 (Heparin - coated circuit)
肝素结合的体外循环管路能改善其与血液的生物相容性，减少血液与异物表面引起的炎症反应。Wan等发现，在接受心脏或心肺移植的病人，在主动脉阻断1小时后，使用肝素结合的体外循环管路比不使用者，其血浆IL-6、IL-8及IL-10水平明显降低。Ranucci等进行的临床研究揭示，术前肺功能正常的冠脉搭桥病人，使用肝素结合的体外循环管道比不使用者，其术后肺内分流、呼吸指数都明显降低。但是也有研究表明肝素化的管道对补体系统以及细胞因子的产生没有影响[46]。
2．1．2白细胞滤器 (Neutrophil Filter)
白细胞在CPB相关的肺损伤中起重要作用，用白细胞滤器去除血液中的白细胞从理论上讲应对体外循环中的肺保护有益。动物实验发现应用白细胞滤器能减少CPB中自由基的产生，改善术后肺功能。Gu 等在CPB中用白细胞滤器将体外循环机剩下的白细胞滤出，可以明显改善肺的气体交换功能，同时对易感染者是安全的。但有人报道1旦停用滤除器,循环内的白细胞数量在很短的时间内恢复,因此白细胞滤器的临床效果尚不肯定。

2．1．3 膜肺（Membrane oxygenation）
膜式氧合器比鼓泡式氧合器生物相容性高，体内激活作用轻微, 能减少体外循环中微粒形成和血液破坏，对CPB相关的肺部并发症有1定的预防作用。Gillinov等比较了两种氧合器对粘附分子的影响，发现使用膜式氧合器组循环中可溶性细胞间粘附分子1（ICAM-1）几乎没有明显变化，而鼓泡式氧合器组CPB后可溶性ICAM-1明显升高，但是CD11b/CD18表达、补体激活及弹性蛋白酶在两组间差别无显著性。故目前很多临床研究没能证实膜肺对肺保护有明显的优点。
2. 2 体外循环技术的改进与肺保护
最近，Mendler等在体外循环动物模型中不使用人工氧合器而用双心室转流自体肺氧合的方法与加用膜肺的传统的心肺转流术相比较，结果发现其术后肺血管阻力、肺血管外水、肺顺应性等肺功能参数指标都明显改善，提示此方法对术后肺功能有较好的保护作用，Richter等在临床上也证实了此点。Suzuki等在体外循环中加用肺动脉插管用氧合血对肺进行持续灌注，结果发现，与对照组相比，灌注组病人术后氧合指数明显增高而术后气管插管置管时间明显缩短，肺内皮中性粒细胞聚集也明显减少，说明对肺有保护作用。另外运用缺血预处理的方法防治缺血再灌注损伤也取得1定效果，为病人的预后创造了良好的条件，这些技术具有很好的发展前景。
2．3 体外循环中药物的介入与肺保护
许多抑制体外循环中炎症反应的药物对减少CPB相关肺损伤的作用在实验室已取得令人鼓舞的结果，有望改善临床体外循环的效果。
2．3．1糖皮质激素
甲基强的松龙和地塞米松尽管无阻止补体激活的作用，但能减少炎性因子（TNF-α、IL-6、IL-8）、白3烯B4的产生和中性粒细胞的激活，降低弹性蛋白酶的水平，抑制CPB后CD11b表达上调，增加抗炎因子IL-10的表达。
2．3．2单克隆抗体
使用特异性单克隆抗体,使其与内皮细胞表面的粘附分子结合,从而阻断炎症介质以及白细胞、血小板与内皮细胞的粘附。在动物实验中，用抗TNF、IL-1受体的单克隆抗体可以阻止内毒素导致的休克，降低死亡率。在CPB中，应用抗CD11b/CD18的单克隆抗体（NPC15669）可阻止活化中性粒细胞的粘附，减轻肺的再灌注损伤，为减少因CPB引起的器官损伤提供了1条新的治疗手段。但是，在使用这种方法的同时也增加了感染的机率，因此限制了其在临床上的应用。 （科教作文网 zw.nseac.com整理）
2．3．3血液麻醉（Blood Anesthesia）
CPB的管道系统是非内皮异物表面，为了减少因CPB介导的出血、血栓形成和血管活性物质的产生，以及其它并发症的发生，除了生产不激活血液成分的生物学材料外，目前可通过“血液麻醉”即可逆性抑制血液成分的凝血早期反应，暂时关闭凝血过程及CPB中“全身的炎症反应”。在CPB前应用凝血酶抑制剂（标准肝素）、纤溶酶抑制剂（6-氨基己酸、抑肽酶）、血小板抑制剂（潘生丁、噻氯匹定）及接触性蛋白酶抑制剂（奈莫司他）等，可抑制凝血酶和纤溶酶的形成，抑制补体激活，抑制中性粒细胞、血小板

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